Modbus TCP是一种基于TCP/IP的工业通信协议，广泛应用于自动化设备、工业控制系统等领域。相较于基于串行通信的Modbus RTU和Modbus ASCII协议，Modbus TCP具有更高的通信速率和更强的抗干扰能力，因此在现代工业通信系统中具有广泛的应用前景。
一、Modbus TCP报文结构
一个完整的Modbus TCP报文包含以下几个部分：
- 事务标识符（Transaction Identifier，2字节）：用于标识请求报文和响应报文之间的关联，通常由客户端生成，服务器端在响应报文中原样返回。
- 协议标识符（Protocol Identifier，2字节）：用于区分不同的协议，对于Modbus TCP协议，该字段的值固定为0x0000。
- 长度字段（Length，2字节）：表示后续报文中的字节数，包括单元标识符、功能码和数据字段。
- 单元标识符（Unit Identifier，1字节）：用于标识Modbus设备的地址，取值范围为1-247。在Modbus TCP协议中，该字段的作用较小，通常设为0xFF。
- 功能码（Function Code，1字节）：用于指示报文的操作类型，例如读取寄存器、写入寄存器等。功能码的取值范围为1-255，但实际应用中常用的功能码有限。
- 数据字段（Data，不定长度）：根据功能码的不同，该字段用于携带不同的数据信息，例如寄存器地址、寄存器值等。
二、功能码与数据编码
常用的Modbus TCP功能码及其对应的操作如下：
- 读取线圈状态（Read Coils，功能码0x01）：读取1个或多个线圈的状态（开/关）。
- 读取离散输入状态（Read Discrete Inputs，功能码0x02）：读取1个或多个离散输入的状态（开/关）。
- 读取保持寄存器（Read Holding Registers，功能码0x03）：读取1个或多个保持寄存器的值。
- 读取输入寄存器（Read Input Registers，功能码0x04）：读取1个或多个输入寄存器的值。
- 写单个线圈（Write Single Coil，功能码0x05）：设置1个线圈的状态（开/关）。
- 写单个保持寄存器（Write Single Register，功能码0x06）：设置1个保持寄存器的值。
- 写多个线圈（Write Multiple Coils，功能码0x0F）：设置多个线圈的状态（开/关）。
- 写多个保持寄存器（Write Multiple Registers，功能码0x10）：设置多个保持寄存器的值。
数据编码主要涉及寄存器地址、寄存器值、线圈状态等信息。在Modbus TCP协议中，寄存器地址和寄存器值均采用2字节（16位）的无符号整数表示，线圈状态则用1字节表示，其中0xFF表示开，0x00表示关。
三、报文示例
假设我们需要读取一个Modbus设备的保持寄存器，寄存器地址为0x1000，读取长度为2个寄存器。根据上述介绍，我们可以生成如下请求报文：
事务标识符：0x0001（假设为1）
协议标识符：0x0000
长度字段：0x0006（后续报文共6字节）
单元标识符：0xFF
功能码：0x03（读取保持寄存器）
数据字段：0x1000 0x0002（寄存器地址为0x1000，读取长度为2）
将上述字段组合在一起，得到完整的请求报文：0x0001 0x0000 0x0006 0xFF 0x03 0x1000 0x0002。
设备收到请求报文后，将返回如下响应报文：
事务标识符：0x0001（与请求报文相同）
协议标识符：0x0000
长度字段：0x0007（后续报文共7字节）
单元标识符：0xFF
功能码：0x03（与请求报文相同）
数据长度：0x04（返回数据共4字节）
数据字段：0x1234 0x5678（假设保持寄存器的值分别为0x1234和0x5678）
将上述字段组合在一起，得到完整的响应报文：0x0001 0x0000 0x0007 0xFF 0x03 0x04 0x1234 0x5678。
四、报文解析
在收到响应报文后，我们需要对其进行解析以获取所需的寄存器数据。解析步骤如下：
- 验证事务标识符：将响应报文中的事务标识符（0x0001）与请求报文中的事务标识符进行比较，确保它们相同。
- 验证协议标识符：检查响应报文中的协议标识符（0x0000）是否为Modbus TCP协议的固定值。
- 验证长度字段：检查响应报文中的长度字段（0x0007）是否与实际报文长度相符。
- 验证单元标识符：将响应报文中的单元标识符（0xFF）与请求报文中的单元标识符进行比较，确保它们相同。
- 验证功能码：将响应报文中的功能码（0x03）与请求报文中的功能码进行比较，确保它们相同。
- 解析数据长度：从响应报文中读取数据长度字段（0x04），确认返回数据的字节数。
- 提取数据字段：根据数据长度字段，提取响应报文中的数据字段（0x1234 0x5678），并按照寄存器地址顺序解析为对应的寄存器值。
通过上述解析步骤，我们成功获取了目标设备的保持寄存器数据，分别为0x1234和0x5678。
五、C#示例代码
使用C#封装一个类，用于构造和解析报文。
using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
namespace ModbusTcpClient
{
class ModbusTcp
{
private TcpClient _tcpClient;
private NetworkStream _networkStream;
public ModbusTcp(string ipAddress, int port)
{
_tcpClient = new TcpClient(ipAddress, port);
_networkStream = _tcpClient.GetStream();
}
public void CloseConnection()
{
_networkStream.Close();
_tcpClient.Close();
}
public byte[] CreateRequest(ushort transactionId, byte unitId, byte functionCode, ushort registerAddress, ushort registerCount)
{
byte[] request = new byte[12];
// Transaction Identifier
byte[] transactionIdBytes = BitConverter.GetBytes(transactionId);
request[0] = transactionIdBytes[1];
request[1] = transactionIdBytes[0];
// Protocol Identifier
request[2] = 0x00;
request[3] = 0x00;
// Length
request[4] = 0x00;
request[5] = 0x06;
// Unit Identifier
request[6] = unitId;
// Function Code
request[7] = functionCode;
// Register Address
byte[] registerAddressBytes = BitConverter.GetBytes(registerAddress);
request[8] = registerAddressBytes[1];
request[9] = registerAddressBytes[0];
// Register Count
byte[] registerCountBytes = BitConverter.GetBytes(registerCount);
request[10] = registerCountBytes[1];
request[11] = registerCountBytes[0];
return request;
}
public void SendRequest(byte[] request)
{
_networkStream.Write(request, 0, request.Length);
}
public byte[] ReceiveResponse()
{
byte[] response = new byte[256];
int bytesRead = _networkStream.Read(response, 0, response.Length);
Array.Resize(ref response, bytesRead);
return response;
}
public ushort[] ParseResponse(byte[] response)
{
int dataLength = response[8];
ushort[] registerValues = new ushort[dataLength / 2];
for (int i = 0; i < dataLength / 2; i++)
{
registerValues[i] = BitConverter.ToUInt16(new byte[] { response[9 + i * 2], response[10 + i * 2] }, 0);
}
return registerValues;
}
}
}
使用这个类，你可以像下面这样创建一个Modbus TCP客户端，发送请求报文并解析响应报文：
using System;
namespace ModbusTcpClient
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
ModbusTcp modbusTcpClient = new ModbusTcp("192.168.1.1", 502);
byte[] request = modbusTcpClient.CreateRequest(0x0001, 0xFF, 0x03, 0x0000, 0x0002);
modbusTcpClient.SendRequest(request);
byte[] response = modbusTcpClient.ReceiveResponse();
ushort[] registerValues = modbusTcpClient.ParseResponse(response);
Console.WriteLine("Register values:");
foreach (ushort value in registerValues)
{
Console.WriteLine(value);
}
modbusTcpClient.CloseConnection();
}
}
}
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